CO2气相致裂技术在综放工作面提前放顶中的应用

2017-06-19张旭

采矿与岩层控制工程学报 2017年3期

关键词：顶杆弱化裂孔

张旭

(河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454003)

CO2气相致裂技术在综放工作面提前放顶中的应用

张旭

(河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作 454003)

基于CO2气相压裂技术原理，以阳泉煤矿22011工作面为例，通过观测综采支架压力监测系统变化，以及通过防爆相机和钻孔窥视仪观测压裂效果，进而考察了该技术在综放工作面提前放顶中的应用，研究表明：CO2气相压裂技术在弱化顶板应用上具有良好的效果，工作面初次来压步距与全矿平均距离相比提前19m左右，与传统炸药技术相比，具有更高的安全系数，为综放工作面的安全开采提供了借鉴和参考。

气相致裂；顶板垮落；安全开采；初次来压

Application of Roof Falling in Fully Mechanized Top Coal Mining with CO2Fracturing Technology

在对工作面进行初次回采时，采空区悬顶面积会伴随着工作面推进而逐渐增大，采空区顶板在长时间不进行垮落处理时，综采工作面的控顶区内会产生压力高度集中现象，如果得不到及时合理的处理，极易发生剪切破坏导致事故发生[1-3]。因此，用合理方法对顶板进行有效处理是实现工作面安全高效生产的关键[4-6]。

经过大量的研究和实践，处理坚硬顶板的主要措施有：注水弱化坚硬顶板方法，该种方法具有适用性广，成本低的特点[7-8]，但是注水过程中会造成作业现场环境恶劣，耗费时间长，影响正常的回采工作；炸药爆破弱化坚硬顶板方法适用于各种坚硬的顶板[9]，但是工序复杂，炸药的量难以精确控制，安全系数低，装药量不恰当容易引起“哑炮”等问题，同时可能会引起煤尘或瓦斯的爆炸。基于以上分析，以阳泉煤矿22011工作面为例，提出采用CO2气相压裂技术对煤层顶板弱化处理，并进行了工程实验，为解决煤矿顶板问题提供新的思路。

1 CO2气相压裂技术原理

CO2气相压裂技术是利用电加热液态CO2，使其由液态转换成气态，整个加热反应时间约 40ms，CO2体积迅速膨胀，压裂杆内的压力瞬间增大，最高可达300MPa。当达到特定的压力时，通过剪切片的破裂而将气体释放出来，对周围产生作用力。整个反应过程中CO2由液态变成气态体积膨胀600倍。同时，后续密闭空间产生的静态应力场压裂或破坏岩石和煤层的目的。由于液态CO2和气态CO2均为惰性非易燃易爆物质，加热棒的启动电压为9V，整个过程不产生火花，因此克服了在煤矿井下使用的安全问题。

CO2气相压裂装置主要有充气阀、加热棒、压裂管、密封圈、剪切片和喷气阀组成，如图1所示。

图1 气相压裂杆结构示意

上述各部件连接好后组成密闭的容器，通过充气装置对其充入液态的CO2，连接导线，并通过顶杆送至钻孔指定的位置，如图2所示。连接发爆器，发爆器对加热棒通电，促使加热棒反应产生大量的热，这些热量使压裂管内的液态CO2气化体积膨胀，达到特定的压力后，冲破剪切片，作用于钻孔壁，从而达到压裂的目的。

图2 CO2气相压裂装置井下使用示意

2 CO2气相压裂的试验现场

2.1 试验区概况

本次试验地点选择在阳泉煤矿22011工作面，东临22012工作面，所采煤层为3号煤层，平均煤厚6.47m，煤层标高为+395～+480m，走向长度575.3m，可采长度560.3m，倾向长度278m，煤层直接顶为3.8m厚的局部有水平层理的黑色团块状泥岩，基本顶为3.77m厚的含黑色矿物的白灰色厚层状细粒砂岩，属于Ⅱ类顶板。

阳泉煤矿工作面采用过深孔预裂爆破，虽然都使基本顶的弹性势能得到一定释放，使基本顶初次垮落步距提前十多米，但是仍不能避免其污染井下空气的缺点。

2.2 试验步骤

根据气相压裂的主要参数优化得知：压裂孔长度在15～27m之间，并且为了经济效果最大化，切眼内现场实验采用分组分批次压裂，即2孔1组模式，孔间距6m，组间距16m，每次压裂4组孔，每组孔中选择1个压裂；已压裂的孔可为后续的一个预压裂的孔预先压裂出裂隙；压裂孔角度α的确定主要取决于施工者的推进能力，选在28～60°之间。切眼内共布置30个压裂孔，分别用1，2，3，…，29，30表示，如图3所示。

图3 切眼炮眼布置剖面

将压裂杆逐根推入钻孔内，在推入压裂杆的同时用导线把每根杆连接起来，当推入孔内的压裂杆的数量达到预定要求后，连接顶杆，并将导线连接稳固，使其固定于顶杆之上，随顶杆的推进而逐步引出，最后将压裂孔外的顶杆支撑好，固定牢固防止滑落。将导线引到警戒线以外的新鲜风流中，对整个电路系统检查无误后，方可将导线与发爆器连接，启动发爆器。实施压裂后，及时将压裂杆取出后逐根检查测量电阻，确认爆破成功率，如有异常，做留标记，将回撤出的压裂杆再充气复用。

3 试验结果及分析

3.1 图像效果采集

采用防爆相机和钻孔窥视仪分别观察压裂效果，图4为防爆相机井下压裂前后采集的现场图像，图5是钻孔窥视仪井下压裂前后采集的现场图像，可以看出，压裂孔利用压裂杆压裂后，压裂孔孔口和孔内均还发生了较大的变形。

图4 压裂孔压裂前后孔口图像

图5 压裂孔压裂前后窥视

从图5可以看出，压裂前钻孔壁光滑，层理、裂隙不发育，压裂后压裂区域内微裂隙条数、裂隙扩展性、裂缝数量明显增多，在压裂杆释喷气阀范围内有明显的破碎和裂缝现象，压裂杆杆体部位、未压裂区域及顶杆深入部位岩石未发生明显变化。

3.2 液压支架阻力-推进距离曲线

在22011工作面回采期间，对43组支架分5组进行工作阻力测试并分析工作面来压规律。通过计算平均工作阻力得到该工作面液压支架的阻力随工作面推进距离的变化曲线，如图6所示。

图6 回采工作面不同部位液压支柱压力变化曲线

从图6可以看出，当回采工作面推进到4.53m时，测压支架检测到的压力由起始平均压力13.6MPa迅速上升到24.5MPa；当回采工作面推进至6.9m时，支架平均压力保持在25.7MPa；当回采工作面推进到10.8m时，测压支架检测到的平均压力骤然增大至28.1MPa，接近于工作面顶板检测期间的最大支架压力，此时顶煤开始垮落。当回采工作面推进到17.15m时，支架压力进一步增大至28.6MPa，直接顶达到垮落极限，开始垮落；当回采工作面推进至22.3m时，工作面平均支架压力最大，达到30.8MPa，即达到液压支架的工作阻力，此时基本顶开始垮落，工作面基本顶在此时初次来压。

4 效果分析

为分析气相压裂技术的效果，对比临近工作面22012，22022，以工作面回采期间初次来压步距为对比标准，22011工作面明显优于22012，22022工作面，取得良好效果。23021工作面顶板岩性和22011工作面基本相同，进行了顶板炸药预裂弱化顶板技术措施，和22011工作面相比，回采期间初次来压步距相差不大，可见气相压裂弱化顶板技术效果显著，见表1。